富昌电子撰写:李鹏
审核:赵伟兵
时间:2012-8-30
本方案论述了采用ARM的Cortex-M4通用处理器来实现PMSM交流永磁同步电机的驱动器实现方法,从不同的角度讨论了用Cortex-M4来替代专用DSP实现电机控制的实现方案。
1. 概述
随着中国工业化进程的进一步推进,在运动控制领域选择高效快速响应高精确度控制技术是一种必然趋势,传统的运动控制方式存在诸多缺点,如能源效率低下,控制方式粗糙,难于实现精确控制等,现代的运动控制进一步向伺服电机快速迈进。伺服电机的优点就在于精确控制和能源效率,这是现代工业的发展方向。但是由于伺服电机的控制技术复杂,要求由一整套相应的硬件支持和软件理论算法的支持,对于一般工程师来说有相当的技术难度。目前行业流行的技术基本是基于DSP的控制技术来实现伺服电机控制,由于DSP技术发展的局限性和瓶颈效应,今后的发展趋势越来越向通用处理器发展,基于这个前提,富昌电子选择了以ARM的Cortex-M4为核心的处理器来实现伺服电机的控制,以此证明通用化处理器也一样可以实现DSP那样的精确控制,为广大工程师提供了一种独特的视野去开发下一代的伺服电机驱动器。
2.目前伺服驱动器市场面临的挑战
伺服驱动器的发展是跟随伺服电机的发展而发展的,从交流异步电机到直流无刷电机,从步进电机到交流永磁同步电机,每一种电机的控制方式,控制精确度都不一样,使用在不同的应用场合。最复杂的驱动器就是驱动交流永磁同步电机的(PMSM电机),主要还是在软件算法上有非常特别的要求,由于PMSM的特性,必须采用PWM正旋波电流驱动模式,决定了必须使用比较高端复杂代DSP功能的处理器,性能上才能满足控制算法的需求。从基本的电流环处理到最终的速度环和位置环的处理,都需要大量的软件运算,同时又需要快速响应,因而处理器面临着运算速度,内部资源配置,通信效率,软件算法优化等挑战,这是为何目前对处理器要求越来越强大的原因。为了达到更好的控制效果和灵活性,也可以在加强处理器性能的同时外扩FPGA的方式,FPGA可以帮助工程师完成数据预处理和数据变化,为处理器节约大量的事务性工作,从而让处理器可以专心于软件算法的实现,通过这样方式来实现快速相应和高精确度控制。由于电机位置反馈方式越来越精密,编码器的输出已经可以达到23bit的高精密度,这也需要由FPGA配合处理器来获取高精密度位置信息,所以今后的发展方向应该是通用处理器+FPGA的控制模式实现高精密度伺服电机的控制。
3.富昌电子伺服驱动器方案设计目标
富昌电子针对自己的设计能力和产品线配置情况,制定了研制大功率PMSM伺服驱动器的设计目标,这个参考方案可以为广大工程师解决一些比较棘手的问题,大功率控制技术与小功率技术有许多不一样的地方,特别是电流环的实现,整机EMC的抗干扰能力等。
富昌电子伺服驱动器的性能要求及电气特性:
输入电压:AC380V,三相输入
输出功率:7.5KW~10KW
输出相线额定电流:20A
驱动电机:PMSM交流永磁同步电机
转速范围:1:2000
转速精确度:0.2%(负载变化从0%~100%)
上位机控制模式:模拟量速度指令,500KHzCCW脉冲位置指令输入,RS485接口和CAN
接口
4.富昌电子伺服驱动器实现方法
图1富昌电子伺服驱动器的内部组成框图
硬件实现:
处理器:选用Freescale的Kinetis(Cortex-M4)K60系列的MK60DN512ZVMD10
这款芯片配置:
Flash:512Kbytes
RAM:128Kbytes
Package:TQFP144
Speed:100MHz
ADC:2X12bit/500KHz
PWM:12channel
QEP:2channel
Float:non
ExteranlBUS:yes
Interface:UART,CAN,USB,Ethernet
完全可以实现单片式电机控制,无需外加FPGA或者CPLD来扩展硬件功能,
高达100MHz的处理能力,512K的Flash空间,还有专门针对于电机控制的PWM电路,高速ADC采样电路,正交编码输入等,内置了DSP核,从硬件上保证可以实现PMSM电机精确控制。
功率模块:选用IXYS公司的IGBT集成模块MIXA60WB1200TEH。
内置了6路100A整流二极管,6个60AIGBT管和一个60A刹车控制IGBT
管,属于PIM模块系列,通用型强,集成度高,可靠性好,可以保证额定电流20A的控制电路工作到60A三倍过负载的能力。
门极驱动电路:采用了上管和下管分开驱动方式
上管采用Sharp的PC929,自带短路保护的隔离式门极驱动器,可以多一道短路保护措施以防过流烧毁IGBT模块的意外;
下管采用Avago的3120驱动的通用模式。
电流采样:使用隔离式闭环Hall电流传感器
在输出的U,V相线上设置Hall传感器检测各相电流,同时在直流母线上也设置了电流传感器,多一道电流检测以防短路的出现;
电流前置处理:采用高精度运放电路
实现差分到单端的变化以及电路滤波和增益的调整,同时带有短路保护检测电路,可以在短路的情况下快速实现短路保护;
电机编码器输入:旋转变压器型TEV23401-T1002-B101
旋转变压器在一些高粉尘,高污染,高振动的场合要比光编码器可靠性高,本
方案采用TE的V23401-T1002-B101,分辨率6’,采用多摩川的解码器,输出ABZ
增量型正交编码信号,分辨率为4096线。如果能够使用分辨率更高的解码器,可
以使系统分辨率更高;
交流滤波电容器:Nichicon470u/400V铝电解电容器
采用Nichicon的LG系列铝电解电容器,具有低ESR,长寿命,高耐压,高纹波电流的的特性,由于纹波电流可以达到2.8A以上,从而使电路设计更简洁,滤波效果更好,工作可靠性更高,也具有一定的成本优势;
AC/DC电源电路:UC3844控制器
从直流母线输入AC380V整流电压进入AC/DC转换电路,输出9路相互隔离的直流电源:+5V,+24V,+15V,-15V,母线检测,以及4路IGBT门极驱动电源;母线电压通过变压器输出的正比例端子来检测,减少了隔离电路;
上位机通信方式:模拟量速度指令输入,500KHzCCW位置指令输入,RS485通信,以及CAN接口通信;
短路保护:硬件保护和软件保护
使用带短路保护的隔离门级驱动电路是主要的防止相线电路过载的方法,同时通过直流母线电流保护方式实现异常电流过载保护,保护动作时间低于1us;
软件上,采用趋势判断法,电流上升斜率以及绝对值趋势判断,可以提前预警过流,在即将过流的情况下提前工作,封锁PWM输出实现提前保护;
软件实现:
MCU初始化:
主要实现对Freescale的K60处理器进行寄存器配置,接口初始化,算法初始
化,保证后续的控制程序能够正常运行。
PWM控制:
本系统采用PWM正旋波交流电流输出控制模式,PWM频率为15KHz,PWM
参数可以进行中心对齐预装载,从而实现更高精度的控制;ADC采样跟PWM可
以实现同步触发控制;
电流环:
针对于负载的变化,电流响应是最基本的算法控制,采用改进的PI比例环控制模式,可以实现负载变化的快速响应。在ADC电流采样过程中,对电流环进行跟踪控制,反馈结果可以直接影响到下一个PWM装载参数的设定,响应时间就是延后一个PWM脉冲。电流环带宽就是PWM的调制频率15KHz;
速度环:
在电流环稳定可靠的基础上进行速度环的算法控制,基本做到速度带宽在1KHz,速度响应指标已经可以达到0.2%的要求,在不同负载的情况下由于电流环的相应速度远高于速度环,因而负载变化对速度环的负面影响得到有效控制,从而保证速度的稳定性;
位置环:
位置的控制精度直接受制于编码器的位置输入,软件算法采用PID调节模式,在电机刚性,精确度以及反应时间等参数之间找到一个合适的平衡点,满足不同用户的电机和控制精度的要求,控制精度保证在正负一个编码器脉冲之间;
上位机通信:
可以采用以下的任何一种模式实现与上位机的控制指令的通信:
模拟量速度指令
500KHzCCW位置控制指令
RS485接口通信数据包控制指令
CAN接口通信数据包控制指令
我们针对于RS485通信接口还基本Freescale的上位机开放软件Freemaster开发了专门的上位机软件,以方便现场调试的参数更改,提高与系统和电机的匹配特性;
5.方案图片
方案图片1:整机外观
方案图片2:调试状态
方案图片3:主控板
方案图片4:功率驱动板正面
方案图片5:功率驱动板反面
6.富昌电子伺服驱动器测试报告
速度稳定性:0.1~0.2%,在负载0%~100%变化范围内;
输出功率:10KW
输出电流:额定20A
电流波形:
EMC特性:
EFT电瞬变脉冲群输入指标:4.4KV/100KHz/30S
通过
ESD静电抗干扰指标:15KV外壳
通过
7.总结
富昌电子的方案已经实现了用Freescale的Cortex-M4系列的K60进行PMSM伺服驱动器的精确控制,从技术的角度解决了工程师的疑惑,证明了通用的高性能处理器完全可以担当原来由专用DSP来完成的伺服电机的控制功能,精确度可以达到设计要求。
如果用户有更高的控制要求,可以从K60的系列平台上做平滑升级,如运算速度可以从100MHz升级到120MHz,150MHz,而封装不做改变,还可以选择带浮点运算的处理器来实践更好的小电流滤波算法。如果用户是基本低端的应用,则可以选择其他的Kinetis系列产品,如K10等,可以实现一定程度的降低成本的要求。同样的平台可以很方便地移植到不同功率输出等级和不同种类电机控制的应用上。
富昌的方案可以大大简化用户工程师的设计流程,压缩开发时间,无需工程师在熟悉新的平台上花费很大的时间,工程师就可以把主要精力放在如何提高和优化控制算法上,如何优化成本上,从而在最短的时间内实现平台的切换以及高精确度伺服电机的控制,实现最佳的性价比,提高公司产品的竞争力。 |